Projekt i wykonanie jednostki elastomerowej dla miękkich robotów modułowych w chirurgii małoinwazyjnej

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje projektowanie i produkcję miękkiego urządzenia do manipulatorów chirurgicznych. Moduł podstawowy zawiera trzy elastyczne siłowniki hydrauliczne do uzyskiwania wielokierunkowego gięcia i wydłużania oraz mechanizm oparty na granulowanym zakleszczaniu, który umożliwia kontrolę sztywności. Podano również pełną charakterystykę mechaniczną.

Streszczenie

W ostatnich latach, technologie miękkiej robotyki wzbudziły coraz większe zainteresowanie w dziedzinie medycyny ze względu na ich iskrobezpieczną interakcję w nieustrukturyzowanych środowiskach. Jednocześnie opracowano nowe procedury i techniki mające na celu zmniejszenie inwazyjności operacji chirurgicznych. Chirurgia małoinwazyjna (MIS) jest z powodzeniem stosowana w interwencjach brzusznych, jednak standardowe procedury MIS opierają się głównie na sztywnych lub półsztywnych narzędziach, które ograniczają zręczność lekarza. W artykule przedstawiono miękki i wysoce zręczny manipulator do MIS. Manipulator został zainspirowany biologicznymi możliwościami ramienia ośmiornicy i został zaprojektowany z myślą o podejściu modułowym. Każdy moduł ma te same cechy funkcjonalne, dzięki czemu osiąga się wysoką zręczność i wszechstronność po zintegrowaniu większej liczby modułów. W artykule szczegółowo opisano projekt, proces produkcji i materiały niezbędne do opracowania pojedynczej jednostki, która jest wytwarzana przez odlewanie silikonu w określonych formach. Rezultatem jest elastomerowy cylinder z trzema elastycznymi siłownikami pneumatycznymi, które umożliwiają wydłużanie i dookólne gięcie jednostki. Zewnętrzna osłona w oplocie usprawnia ruch modułu. W środku każdego modułu znajduje się granularny mechanizm oparty na zakleszczeniu, który zmienia sztywność konstrukcji podczas wykonywania zadań. Testy wykazały, że moduł jest w stanie wygiąć się do 120° i wydłużyć do 66% początkowej długości. Moduł generuje maksymalną siłę 47 N, a jego sztywność może wzrosnąć nawet do 36%.

Wprowadzenie

Ostatnie trendy w dziedzinie medycyny dążą do zmniejszenia inwazyjności operacji chirurgicznych. W ciągu ostatnich kilku lat udało się udoskonalić chirurgię małoinwazyjną (MIS) w operacjach jamy brzusznej. Procedury MIS opierają się na wykorzystaniu narzędzi wprowadzanych przez cztery lub pięć punktów dostępowych (trokarów) umieszczonych na ścianie jamy brzusznej. W celu zmniejszenia liczby trokarów, instrumenty można wprowadzić za pomocą laparoskopii jednoportowej (SPL) lub chirurgii endoskopowej przezświszczennej z naturalnym otworem (UWAGI)¹. Zabiegi te zapobiegają powstawaniu widocznych na zewnątrz blizn, ale zwiększają trudności dla klinicystów w wykonaniu operacji. Ograniczenie to wynika głównie ze zmniejszonych punktów dostępu oraz ze sztywnego i półsztywnego charakteru instrumentów, które nie są w stanie ominąć narządów^{2, 3} ani ich ominąć. Zręczność i ruchliwość można poprawić za pomocą robotów przegubowych i nadmiarowych, które mogą pokryć szerszą i bardziej złożoną przestrzeń roboczą, umożliwiając w ten sposób łatwiejsze dotarcie do określonego celu w ciele^{4, 5, 6} i w razie potrzeby pracę jako systemy chowania⁷. Elastyczny manipulator może poprawić podatność tkanek, dzięki czemu kontakt jest bezpieczniejszy niż przy użyciu tradycyjnych narzędzi.

Jednak tym manipulatorom często brakuje stabilności, gdy cel zostanie osiągnięty i generalnie nie mogą kontrolować kontaktu z otaczającymi tkankami^{8, 9}. Badania nad strukturami biologicznymi, takimi jak ramię ośmiornicy¹⁰ i trąba słonia¹¹, zainspirowały ostatnio do zaprojektowania elastycznych, odkształcalnych i podatnych manipulatorów z nadmiarową liczbą stopni swobody (DoF) i kontrolowaną^{sztywnością 12}. Tego typu urządzenia wykorzystują sprężyny pasywne, inteligentne materiały, elementy pneumatyczne lub ścięgna^{13, 14, 15}. Ogólnie rzecz biorąc, manipulatory wykonane z miękkich i elastycznych materiałów nie gwarantują generowania dużych sił.

Manipulator STIFF-FLOP (STIFFness controllable Flexible and Learnable manipulator for surgical OPerations) został niedawno zaprezentowany jako nowatorskie urządzenie chirurgiczne dla NOTES i SPL, zainspirowane możliwościami ośmiornicy. Aby przezwyciężyć ograniczenia poprzednich miękkich manipulatorów, ma miękki korpus, a także wysoką zręczność, dużą siłę i kontrolowaną sztywność¹⁶.

Architektura manipulatora opiera się na podejściu modułowym: wiele jednostek, o tej samej strukturze i funkcjonalnościach, jest ze sobą zintegrowanych. Pojedyncza jednostka jest pokazana na rysunku 1. Oparty jest na cylindrze elastomerowym uzyskanym w procesie wytwarzania wielofazowego. Etapy montażu elementów formy i procesów odlewania umożliwiają osadzenie trzech pustych komór (do uruchamiania płynnego) i jednego pustego kanału centralnego¹⁷ (do umieszczenia mechanizmu opartego na ziarnistym zakleszczaniu¹⁸). Komory są umieszczone pod kątem 120°, dzięki czemu ich połączone napompowanie powoduje ruch dookólny i wydłużenie. Ponadto zewnętrzna osłona w oplocie jest umieszczona na zewnątrz, aby ograniczyć rozszerzanie się promieniowo komór fluidalnych na zewnątrz pod ciśnieniem, optymalizując w ten sposób efekt zadziałania komory w ruchu modułu (zginanie i wydłużanie).

Centralny kanał mieści cylindryczne urządzenie składające się z zewnętrznej membrany wypełnionej ziarnistym materiałem. Zastosowanie podciśnienia zmienia swoje właściwości sprężyste, powodując usztywnienie, które wpływa na właściwości całego modułu.

Parametry ruchu i sztywności są kontrolowane przez zewnętrzną konfigurację, w tym sprężarkę powietrza i trzy zawory ciśnieniowe do uruchamiania komór oraz jedną pompę próżniową do aktywacji podciśnienia w kanale usztywniającym. Intuicyjny interfejs użytkownika umożliwia sterowanie uruchamianiem i ciśnieniem podciśnienia wewnątrz modułu.

Ten artykuł szczegółowo opisuje proces produkcji pojedynczego modułu tego manipulatora i przedstawia najważniejsze wyniki dotyczące podstawowych zdolności ruchowych. Biorąc pod uwagę modułowy charakter urządzenia, ocena produkcji i wydajności tylko jednego modułu umożliwia również rozszerzenie wyników i przewidzenie podstawowego zachowania manipulatora wielomodułowego integrującego dwa lub więcej modułów.

Protokół

Uwaga: Ten protokół opisuje fazy produkcji pojedynczego modułu, który obejmuje komory fluidalne, kanał usztywniający, rurociągi uruchamiające i zewnętrzną osłonę. Poniższa procedura musi być wykonywana pod wyciągiem, w fartuchu laboratoryjnym i rękawicach ze względów bezpieczeństwa. Jak wcześniej wspomniano, proces wytwarzania jednostki elastomerowej opiera się na sekwencyjnym wykorzystaniu form zaprojektowanych za pomocą oprogramowania CAD. Składają się one z 13 części pokazanych na rysunku 2 i wymienionych w tabeli 1.

1. Przygotowanie silikonu

1. Odważyć 12 g części A i 12 g części B w tej samej plastikowej szklance lub na szalce Petriego i wymieszać je ze sobą, mieszając.
   Uwaga: Proporcje materiału mogą się różnić w zależności od konkretnego użytego silikonu, w tym przypadku składa się on z dwóch części: części A (baza) i części B (katalizator). Stosuje się je w proporcji 1A:1B wagowo.
2. Umieść szklankę zawierającą zmieszane materiały silikonowe w maszynie odgazowującej pod ciśnieniem 1 bar. Trzymaj szklankę w próżni, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte z materiału silikonowego. W przypadku zastosowanego silikonu proces odgazowania trwa około 10 minut. Gdy materiały są całkowicie wolne od pęcherzyków, przywróć ciśnienie atmosferyczne w maszynie i użyj silikonu.

2. Produkcja modułu krzemowego

1. Montaż formy.
   1. Włóż cylinder usztywniający i górną część komór do cap_A (Rysunek 3a).
   2. Zamknij muszle wokół drugiej warstwy cap_A.
2. Pierwszy odlew silikonowy.
   1. Wlej silikon do zmontowanej formy aż do krawędzi muszli (Rysunek 3b).
   2. Formę wstawiamy do piekarnika nagrzanego do 60 °C na około 30 minut.
3. Przegrupowanie formy.
   1. Zdejmij zewnętrzne osłony i cap_A (Rysunek 3c).
   2. Włóż cylindry z podstaw komór i cylinder usztywniający do środka cap_B (Rysunek 3d).
   3. Ponownie zamknij osłony wokół modułu, przesuwając je o 10 mm w górę, aby uzyskać odstęp 10 mm między górną powierzchnią modułu a krawędziami osłon (rysunek 3e).
4. Drugi odlew silikonowy.
   1. Wlej silikon do wnętrza przestawionej formy aż do krawędzi muszli po górnej stronie (tj. również do cylindra usztywniającego) (Rysunek 3f).
   2. Formę wstawiamy do piekarnika nagrzanego do 60°C na około 30 min.
   3. Zdejmij zewnętrzne osłony, cap_B i komory (z wyjątkiem cylindra usztywniającego) (rysunek 3g).

3. Wkładanie rurek

1. Wytnij 3 rurki na tę samą żądaną długość (na przykład 300 mm).
2. Nałóż klej silikonowy na jeden koniec każdej tubki na 10 mm, nie zasłaniając rurek.
3. Włóż rurki do dedykowanych kanałów 2 mm w jednostce silikonowej (Rysunek 3h).
4. Pozostaw czas utwardzania 12 minut w temperaturze pokojowej lub włóż moduł do piekarnika o wyższej temperaturze (50° - 60°), aby przyspieszyć proces suszenia.

4. Wykonanie plecionej osłony

1. Wytnij 700 mm rozprężnej osłony w oplocie (około 15-krotność wysokości modułu).
2. Włożyć do osłony metalowy cylinder o średnicy 30 mm i długości 250 mm.
3. Dociśnij i wypchnij osłonę, przesuwając ją po cylindrze, aby utworzyć zaciski.
4. Mechanicznie zamocować osłonę za pomocą zacisku i podgrzewać pistoletem grzewczym w temperaturze 350 °C przez 2-3 minuty, aż do uzyskania trwałego odkształcenia.
5. Poczekaj, aż osłona ostygnie i wyjmij cylinder wewnętrzny.

5. Integracja zewnętrznej osłony

1. Przełóż rurki przez otwory cap_C.
2. Wlej 3 g silikonu do cap_C.
3. Clamp cap_C do podpory, która jest wyższa niż płaszczyzna robocza.
4. Włóż dolną stronę modułu, który został wcześniej wyprodukowany, do cap_C.
5. Nasuń zaciśniętą osłonę wokół modułu.
6. Wciśnij pierwsze zaciski osłony do środka cap_C i zanurz je w świeżo wylanym silikonie (Rysunek 3i).
7. Formę wkładamy do piekarnika nagrzanego do 60 °C na około 20 min.
8. Powtórz tę samą procedurę z punktu 5.1-5.6, aby zamocować osłonę na górze, używając cap_D (Rysunek 3j).
9. Usuń cap_C i cap_D.
10. Wyjmij centralny cylinder (Rysunek 3k).

6. Produkcja granulowanej membrany zagłuszającej

1. Wlej 5 g płynnego lateksu do plastikowej szklanki.
2. Zanurz cylinder membrany (ostatni element pokazany na rysunku 2) w płynnym lateksie, aż powierzchnia zostanie całkowicie pokryta.
3. Pozostaw do wyschnięcia pod kapturem na 20 minut.
4. Powtórzyć ppkt 6.2 i 6.3.
5. Usuń membranę z formy.

7. Wprowadzenie granulowanej membrany zagłuszającej

1. Przytnij rurkę (o średnicy 2 mm) na żądaną długość (na przykład 300 mm).
2. Wytnij kwadratowy kawałek około 100^mm2 nylonowej chusteczki i zamknij jeden koniec rurki tą chusteczką za pomocą plastikowej folii parafinowej lub superglue.
3. Odważ 4 g kawy mielonej i napełnij membranę.
4. Włóż rurkę (koniec z filtrem) do napełnionej membrany i przymocuj ją wokół rurki za pomocą plastikowej folii parafinowej.
5. Zastosuj podciśnienie po drugiej stronie rurki (membrana stanie się sztywniejsza).
6. Włóż membranę do pustego kanału środkowego modułu silikonowego (Rysunek 3l).
7. Przyklej końce membrany usztywniającej do modułu silikonowego.
8. Zamknij pierścienie wokół górnej części modułu (Rysunek 3m).
9. Wlej 2 g silikonu do pierścieni w celu wyrównania powierzchni.
10. Pozostaw silikon do wyschnięcia pod kapturem lub w piekarniku w temperaturze 60°.
11. Zdejmij pierścienie.
12. Powtórzyć od punktów 7.8 do 7.11 dla dolnej strony (rysunek 3n).

Wyniki

Różne fazy produkcji, opisane w Protokole, są zilustrowane na rysunku 3.

Aby ocenić skuteczność techniki i wyniki końcowego prototypu, moduł został przetestowany w różnych warunkach pracy. Zewnętrzna konfiguracja umożliwia kontrolę zarówno uruchamiania, jak i sztywności modułu. Zawiera sprężarkę powietrza, która aktywuje trzy zawory. Są one połączone z silikonowymi rurkami zintegrowanymi z komorami i umożliwiają ich zwiększanie ciśnienia. Pompa próżniowa jest podłączona do rur...

Dyskusja

Technika opisana w tym protokole umożliwia wytworzenie sterowanej pneumatycznie jednostki miękkiej, którą można stosować w konstrukcjach zgodnych z modułami. Dzięki konstrukcji form i ich prostemu montażowi możliwe jest wyprodukowanie jednego kompletnego modułu w około 4 godziny przy składaniu się z 7 głównych kroków. W procesie wytwarzania wykorzystywane są specjalne materiały, które są łatwo dostępne, a prace powinny być wykonywane pod wyciągiem. Zewnętrzna konfiguracja obejmująca zawory powietrza, sprężarkę powietrza ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Służy do wytwarzania miękkiej jednostki, łączącej równe ilości płynnych części A (baza) i B (katalizator)
Lateks	Antichit i grawer; Belsito		Używany do wytwarzania granulowanej membrany zagłuszanej
Rurki silikonowe utwardzane nadtlenkiem	Cole Parmer	T-06411-59	Używany do uruchamiania komór i nakładania próżniowego
plecionego oplotu rozprężnego PET	RS	408-249	Używany do produkcji zewnętrznej plecionej osłony
Guma silikonowa	Momentive	127374	Służy do mocowania rurek uruchamiających do moduł
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Służy do mocowania membrany lateksowej do rury próżniowej
Dygestoria Secuflow	Groupe Waldner		Przestrzeń robocza
Waga precyzyjna	KERN EW		Służy do ważenia silikonu, lateksu i kawy w proszku
Piekarnik/odgazowywacz	Heraeus		Służy do odgazowania silikonu i skrócenia czasu jego utwardzania
Pompa próżniowa		próżniowa DVP	Służy do stosowania próżni na membranie lateksowej